华东理工大学郑致刚、南京大学陆延青、东南大学李全《Adv. Mater.》：基于像素化全息表面浮雕结构实现可编辑软材料拼图

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人工干预软物质材料的自组装行为以获得想要的超结构是一项复杂但意义重大的工程。部分或完全由刺激响应的软材料构成的光学元件在诸多领域有着广泛应用，并被称为“软光子学”。液晶是一种典型的刺激响应型软物质材料，得益于其独特的电学和光学性质以及出色的分子自组装的特性，液晶软物质材料在非显示领域如平面光子学、生物医学等领域大放异彩。然而，实现器件的大面积制备，提高器件稳定性，实现宽光谱可调谐仍然存在巨大挑战。

近期，华东理工大学物理学院郑致刚教授团队联合南京大学陆延青教授和东南大学李全教授团队提出了一种基于像素化全息表面浮雕结构的可编辑液晶光学拼图。利用数字化全息光刻系统在光刻胶表面产生像素化的条纹沟槽结构，以此诱导液晶分子自下而上的自组装行为。由于液晶的连续体及弹性体作用，液晶将沿沟槽方向定向排列。像素化全息表面浮雕的参数，包括几何尺寸、亚波长周期性、纳米结构取向、形貌深度等均可以精确控制，从而能够以数字化方式产生高度有序且稳定的液晶软材料组织。进一步而言，这种多维度操控方式极大的丰富了对液晶分子的调控手段：通过控制表面浮雕结构的几何尺寸，可以轻松实现任意宏观或微观的图案化液晶；通过控制不同像素浮雕结构间的亚波长周期，可以实现表面锚定力的像素化精确控制；通过控制不同像素浮雕结构的形貌及深度，液晶分子的自组装行为也会随之改变。此外，这种浮雕结构赋予了液晶光学拼图优异的稳定性及耐久性：所制备的液晶平面光学元件在蓝光及紫外波段仍可保持稳定并正常工作，用封框胶封装后的器件在室温环境下可保存20个月以上，因此该技术有望进一步促进基于液晶的可调谐平面光学元件的商用化及工程化。该工作以“Programmable Jigsaw Puzzles of Soft Materials Enabled by Pixelated Holographic Surface Reliefs”为题发表在《Advanced Materials》上。文章通讯作者为华东理工大学郑致刚教授，南京大学陆延青教授，以及东南大学李全教授。文章第一作者为华东理工大学博士生王翼飞，华东理工大学博士生袁丛龙及苏州大学黄文彬副教授为共同第一作者。

图1. 液晶光学拼图的实现宏观图案。

图2. 液晶光学拼图实现的几何相位微结构及其衍射图案。

该研究中，作者从机理出发，结合Berreman沟槽锚定理论建立全息表面浮雕结构对液晶分子锚定作用的理论模型，研究了不同全息表面浮雕结构形貌对液晶分子的锚定强度，探究了像素间液晶微结构的相互作用及影响，获得了产生理想微结构图案的控制条件。此外，为验证所提出的液晶光学拼图的应用性，作者展示了多种可调谐软光子原型器件，例如：动态可切换电子标签，主动可调谐结构光，三维光编码，及多维度光操控等。该工作拓宽了可调谐液晶平面光学元件在短波波段的应用，有助于充分释放液晶作为刺激响应型材料在各领域的应用潜力，并为操控软物质材料的自组装行为提供了新的思路。

图3. 动态可切换二维码电子标签， 常黑型TN液晶盒作为光开关控制背光。I) 外加电场为0V时，TN液晶盒呈暗态，光线被截至，二维码被隐藏。II) 外加电场为3V时，TN液晶盒呈亮态，光线透过，二维码显示。

图4. 三维光编码技术的光路示意图、编码规则、及实验效果展示。

图5. 涡旋光光操控系统示意图。通过操控粒子在二维平面内的水平移动，可组成多种不同形状的图案。

图6. 改变入射光偏振态，操控粒子旋转方向。

图7. 调节液晶q波片外加电场，操控粒子旋转速度。

该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委创新计划重大项目、上海市科学委员会、上海市教育发展基金会、上海市教委“曙光计划”的支持。

相关链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202211521

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